Gerade die Schwerzerspanung – Schruppbearbeitung mit hoher Schnittleistung – aber auch die Bearbeitung schwer zerspanbarer Metalle wie Titanlegierungen, Nickel-Basis-Werkstoffe oder rostfreier Stähle, wie sie in der Luft- und Raumfahrtindustrie mittlerweile zum Standard gehören, bietet hinsichtlich der effizienten Bearbeitung einiges an Potenzial. In der Schwerzerspanung geht es in erster Linie darum, in möglichst kurzer Zeit möglichst viel Material abzutragen. Dabei können viele Komponenten des Bearbeitungsprozesses an ihre Grenzen kommen. Eine umfassende Prozessbeherrschung ist daher bei dieser Form der Hochleistungszerspanung Grundvoraussetzung für Qualität und Wirtschaftlichkeit. Durch die im Zerspanprozess auftretenden Kräfte werden Maschine und Werkzeug extrem belastet. Ziel muss es deshalb sein, das Zeitspanvolumen zu optimieren, die Werkzeugstandzeit zu maximieren und die Maschinenbelastung zu minimieren.

Unter dem Begriff Dynamic Efficiency bietet HEIDENHAIN innovative TNC-Funktionen an, die den Anwender dabei unterstützen, die die Prozesssicherheit in der Schwerzerspanung und Schruppbearbeitung zu erhöhen und somit effizienter zu gestalten. Dynamic Efficiency umfasst drei Software-Funktionen:

ACC (Active Chatter Control) – Die Option reduziert die Ratterneigung und lässt damit größere Zustellungen zu•AFC (Adaptive Feed Control) – Die Option regelt den Vorschub abhängig von der Bearbeitungssituation•Wirbelfräsen – Zyklus zur werkzeug- und maschinenschonenden Schruppbearbeitung von Nuten und Taschen•

Technische Information

Dynamic Efficiency – effizient und prozesssicher bearbeiten

September 2013

Jede Funktion für sich bringt Vorteile für den Bearbeitungsprozess. Sie lassen sich aber auch ideal miteinander kombinieren und er-zielen so entscheidende Verbesserungen.

Reduzierte Bearbeitungszeit durch • höheres Zeitspanvolumen (ACC, AFC, Wirbelfräsen)Werkzeugüberwachung (AFC)•Höhere Werkzeugstandzeit (ACC, • Wirbelfräsen)

Mit Dynamic Efficiency fertigen Sie schneller, maschinen- und werkzeugschonend, insge-samt also effizienter und somit wirtschaft-licher.

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Dynamic EfficiencyMehr Effizienz bei Schwerzerspanung und Schruppbearbeitung

Im Focus der Betrachtung von Dynamic Efficiency stehen alle Prozesse mit hohen Schnittkräften und hohem Zeitspanvolumen. Darunter fallen Schruppprozesse im Allge-meinen aber auch die Bearbeitung schwer zerspanbarer Materialien wie Titan, korrosi-onsbeständige Nickelbasislegierungen (z. B. Inconel) und vieler anderer Werkstoffe, die wegen ihrer spezifischen Eigenschaften im Werkzeug- und Formenbau, der Luft- und Raumfahrtindustrie, der Medizintechnik und der Energietechnik eingesetzt werden. Durch die bei der Bearbeitung auftretenden Kräfte werden Maschine und Werkzeug ex-trem belastet. Die hohe Belastung äußert sich häufig durch prozessbedingte Vibrati-onen, die während der Bearbeitung auftre-ten. Ziel einer Verbesserung muss es des-halb sein, das Zeitspanvolumen zu erhöhen, gleichzeitig aber auch die Werkzeugstand-zeiten zu verlängern und die Maschinenbe-lastung zu reduzieren.

Genau an diesen Punkten setzt HEIDENHAIN mit Dynamic Efficiency an.

Unter dem Begriff Dynamic Efficiency fasst HEIDENHAIN innovative TNC-Funkti-onen zusammen, die den Anwender dabei unterstützen, die Schwerzerspanung und die Schruppbearbeitung effizienter, aber auch prozesssicherer zu gestalten. Da es sich um Software-Funktionen handelt, ist kein Eingriff in die Maschinenmechanik not-wendig. Dynamic Efficiency hilft dabei, die Zerspanungsleistung zu erhöhen und die Bearbeitungszeit zu senken.

Dynamic Efficiency umfasst drei Funkti-onen:

Active Chatter Control – Die Option ACC •reduziert die Ratterneigung und lässt da-mit größere Zustellungen zuAdaptive Feed Control – Die Option AFC •regelt den Vorschub abhängig von der BearbeitungssituationWirbelfräsen – Funktion zur werkzeug- •und maschinenschonenden Schruppbe-arbeitung von Nuten und Taschen

Vorschub

Vorschub

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Jede Lösung für sich bietet dabei entschei-dende Verbesserungen des Bearbeitungs-prozesses. Besonders aber die Kombinati-on dieser TNC-Funktionen nutzt das Potenzial von Maschine und Werkzeug aus und reduziert gleichzeitig die mechanische Belastung. Auch wechselnde Bearbeitungs-Bedingungen, wie unterbrochene Schnitte, verschiedene Material-Eintauchverfahren oder einfaches Ausräumen zeigen, dass sich der Einsatz lohnt. Steigerungen des Zeitspanvolumens von 20 bis 25 Prozent sind in der Praxis möglich.

Dynamic Efficiency ermöglicht höhere Zeitspanvolumina und dadurch eine gestei-gerte Produktivität, ohne dass notwendi-gerweise auf Sonderwerkzeuge zurückge-griffen werden muss. Die Vermeidung von Werkzeugüberlastungen und vorzeitigem Schneidenverschleiß sowie der zusätzliche Gewinn an Prozesssicherheit tragen deut-lich zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit bei.

Mit einem deutlichen Effizienz-Plus lässt sich rechnen, wenn das Wirbelfräsen mit der adaptiven Vorschubregelung AFC kom-biniert wird. Da sich das Werkzeug auf ei-ner Kreisbahn ins Material bewegt, werden Werkzeug und Maschine erheblich geringer belastet. Es findet jedoch auf einem Teil dieser Kreisbahn kein Eingriff statt. In die-ser Situation bewegt AFC das Werkzeug mit einem deutlich höheren Vorschub. Wäh-rend des Bearbeitungsvorgangs mit dem HEIDENHAIN-Zyklus summiert sich so ein enormer Zeitgewinn auf.

BearbeitungsbeispielDas Anwendungsbeispiel zeigt deutlich die Vorteile von Dynamic Efficiency. Diese Nut wird im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung mit Wirbelfräsen und zuge-schaltetem AFC gefertigt.

Bei der konventionellen Bearbeitung er-folgt in der Mitte der Nut ein Schnitt ins volle Material. Aufgrund der technolo-gischen Gegebenheiten (Material, Fräser) kann pro Schnitt nur ein Viertel der notwen-digen Tiefe abgetragen werden. Wenn die gewünschte Tiefe erreicht ist, wird die Nut in einem Arbeitsgang auf die gewünschte Breite erweitert (grüne Linie). Die Linienfar-ben geben Aufschluss über die erzielte Vor-schubgeschwindigkeit.

Zum Vergleich wird die gleiche Nut im Wirbelfräsverfahren mit zugeschalteter adaptiver Vorschubregelung AFC bear-beitet. Wirbelfräsen gilt zwar als besonders werkzeug- und maschinenschonende Tech-nologie, bringt jedoch für sich noch keine großen Geschwindigkeitsvorteile. Hier wirkt sich AFC besonders vorteilhaft aus. Bei den Luftschnitten des kreisförmigen Fräsvorgangs erhöht AFC die Vorschubge-schwindigkeit deutlich und reduziert sie automatisch wieder, sobald der Fräser ins Material eintaucht. Somit erzielt Dynamic Efficiency an diesem Bearbeitungsbeispiel die beachtliche Zeiteinsparung.

Konventionelles Fräsen1 Vollschnitte in vier Zustelltiefen2 TeilschnittBearbeitungszeit 96 s

Wirbelfräsen mit AFC Bearbeitungszeit 58 s

Im Bearbeitungsbeispiel steigert Dynamic Efficiency die Produktivität im Vergleich zur konventio-nellen Fertigungsmethode um ca. 40 %.

Vorschub

Vorschub

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ACCAktive Ratter-Unterdrückung (Option)

Bei der Schruppbearbeitung (Leistungsfrä-sen) treten große Fräskräfte auf. Abhängig von der Drehzahl des Werkzeugs, sowie von den in der Werkzeugmaschine vorhan-denen Resonanzen und dem Spanvolumen (Schnittleistung beim Fräsen) kann es dabei zum sogenannten „Rattern“ kommen. Da das Rattern sowohl die Maschine als auch das Werkzeug extrem belastet, gilt es als einer der Faktoren, die das Zeitspanvolu-men begrenzen.

Grenzen des ZeitspanvolumensDrei Hauptfaktoren begrenzen das auf einer Fräsmaschine erreichbare Zeitspanvolumen bei gegebenem Werkstoff: die thermische und mechanische Stabilität des Werkzeuges, die verfügbare Spindelleistung und das Auf-treten von Rattern. Das Auftreten von Rat-tern an sich ist kein Zeichen für Mängel der Maschine. Bei ausreichender Werkzeug-stabilität und Spindelleistung ist es als Be-grenzung der Schnittleistung nicht zu ver-hindern.

Ursachen des RatternsRattern bezeichnet eine dynamische Insta-bilität des Zerspanungsprozesses auf Grund von auftretenden Schwingungen beim Zerspanen. Beim Schruppen und hier insbesondere bei der Bearbeitung schwer zerspanbarer Materialien treten hohe

Schnittkräfte auf. Diese periodisch auftre-tenden Kräfte führen zu einer Schwingung zwischen Werkzeug und Werkstück. Kommt es jetzt zu einer Rückkopplung zwischen der Schwingung und dem Schnittprozess, wird der Schwingung mehr Energie zuge-führt, als die Reibung in Wärme umwandeln kann. Die Schwingung wird angefacht, Rat-tern entsteht. Ob es zu einer Rückkopplung kommt, hängt von verschiedenen Faktoren ab, u. a. von der dynamischen Nachgiebig-keit der Maschine an der Werkzeugspitze (Tool Centre Point TCP), dem Werkzeug und den Schnittparametern.

Da es sich beim Rattern um eine selbster-regte Schwingung handelt, finden sich Rat-terfrequenzen immer in der Nähe von Ei-genfrequenzen der Maschine.

Konventionelle MaßnahmenRattern belastet Werkzeug und Maschine über Gebühr. Deshalb wird es in der Regel vermieden. Das Auftreten der Ratter-schwingungen hängt unter anderem von der Wahl der Spanungsgrößen (Spanungs-dicke, Spanungsbreite, Schnittgeschwindig-keit usw.) ab. Um es zu verhindern, müssen in der Praxis die Schnittdaten (Schnitttiefe, Drehzahl und Vorschub) reduziert werden, was wiederum zu einer sinkenden Produk-tivität führt.

Vorteile von ACCMit der TNC-Option ACC (Active Chatter Control) bietet HEIDENHAIN eine wir-kungsvolle Reglerfunktion zur Reduzierung der Ratterneigung einer Maschine. ACC er-höht durch zusätzliche Dämpfung die mög-liche Schnittleistung, ab der Rattern auftritt.

Bei der Schwerzerspanung wirkt sich ACC besonders positiv aus:

wesentlich bessere Schnittleistungen•höheres Zeitspanvolumen (bis zu 25 % •und mehr)geringe Kräfte auf das Werkzeug, da-•durch höhere Standzeitgeringere Belastung für die Maschine•höhere Prozesssicherheit. •

Wirkungsweise von ACCDa es sich bei der aktiven Ratter-Unterdrü-ckung ACC um eine reine Software-Lösung handelt, sind keine Eingriffe in die Maschine notwendig. Zusätzliche Systeme (z. B. Sen-soren, Aktoren), die die Komplexität und damit die Ausfallwahrscheinlichkeit des Ge-samtsystems erhöhen, sind nicht erforder-lich. ACC detektiert das Rattern über die in der Maschine vorhandenen Messsignale der Antriebe und entzieht über die maschi-neneigenen Vorschubantriebe der Schwin-gung Energie.

Frästeil ohne ACC bearbeitet: Deutliche Rattermarken sind sichtbar. Frästeil mit ACC bearbeitet: Bei gleichem Vorschub und gleicher Schnitttiefe zeigt die Oberfläche keine Rattermarken. Die Bearbeitung erfolgte werk-zeug- und maschinenschondend

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Daraus ergeben sich aber auch Grenzen für die mit ACC zu bekämpfenden Ratterphä-nomene. Die Vorschubantriebe können nur in einem Frequenzbereich bis 100 Hz der Ratterschwingung genügend Energie ent-ziehen. Höherfrequente Schwingungen werden nicht ausreichend bedämpft. In ein-zelnen Fällen können auch Ratterschwin-gung unterhalb 100 Hz nicht bedämpft wer-den, da sie sich beispielsweise auf die Werkzeugseite beschränken, der Antrieb aber tischseitig wirkt.

Auswirkungen in der PraxisIn Fräsversuchen an einer Vielzahl unter-schiedlicher Maschinen mit unterschied-lichen Fräswerkzeugen konnte das Zeit-spanvolumen deutlich erhöht werden (bis zu 25 % und mehr), wenn Rattern als pro-zessbegrenzender Faktor auftrat. Durch das Vermeiden von Rattern werden außerdem die auf das Werkzeug und die Maschine wirkenden Kräfte erheblich kleiner. Dies vergrößert die Werkzeugstandzeit und wirkt sich positiv auf die Lebenszeit der Maschinenkomponenten (Hauptspindel, Führungen, Kugelgewindetriebe, Lager) aus.

Einsatz von ACCACC regelt in einem bestimmten Frequenz-bereich unterhalb der Zahneingriffsfre-quenz des Werkzeugs. Der Anwender defi-niert lediglich über das eingesetzte Werkzeug, ob ACC aktiv wird. Da die jewei-lige Werkzeug-Geometrie Auswirkungen auf die Schnittkräfte hat und somit die Ei-genschaften der eventuell auftretenden Ratterschwingungen mit bestimmt, kann für jedes Werkzeug ein eigener Parameter-satz angelegt werden. Zwischen den werk-zeugspezifischen Parametersätzen wird beim Werkzeugwechsel automatisch um-geschaltet.Aufgrund unterschiedlicher Maschinen-Ge-ometrien kann ACC vom Maschinen-Her-steller auch achsspezifisch für alle Vorschub-achsen getrennt parametriert werden. Durch diese zusätzliche Parametrierung kann in bestimmten Fällen die Wirkung des ACC-Algorithmus verbessert werden.

Kraf

t [N

]

Zeit [s]

Kraf

t [N

]

Zeit [s]

Schnittkräfte beim Rattern

Schnittkräfte mit ACC

Bearbeitungs-simulation

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AFCAdaptive Vorschubregelung (Option)

Die Vorschubgeschwindigkeit bei einer Fräsbearbeitung wird üblicherweise in Ab-hängigkeit vom bearbeiteten Material, dem Fräser und der Schnitttiefe gewählt und für den jeweiligen Fräsvorgang fest vorgege-ben. Ändern sich während der Bearbeitung die Schnittbedingungen, z. B. durch schwankende Schnitttiefen, Werkzeugver-schleiß oder Härteschwankungen des Ma-terials, hat dies keinen Einfluss auf die Vor-schubgeschwindigkeit. Dies kann zum Einen – z. B. bei abnehmenden Material-stärken – bedeuten, dass die Vorschubge-schwindigkeit partiell niedriger als möglich ist. Somit liegt die Bearbeitungszeit höher als nötig. Zum Anderen kann ein hoher programmierter Vorschub – insbesondere bei zunehmenden Abtragvolumina – zu ei-ner übermäßigen Belastung der Spindel und des Werkzeugs führen.

Vorteile von AFCDie Option adaptive Vorschubregelung AFC (Adaptive Feed Control) von HEIDENHAIN optimiert den Bahnvorschub abhängig von Spindelleistung und weiteren Prozess-daten. AFC sorgt immer für den maximal möglichen Vorschub und steigert so die Ef-fizienz. Sie bietet eine Reihe von Vorteilen.

Optimieren der BearbeitungszeitInsbesondere bei Gussteilen treten mehr oder weniger große Aufmaß- oder Materi-alschwankungen (Lunker) auf. Durch ent-sprechende Regelung des Vorschubswird die zuvor eingelernte maximale Spin-delleistung während der gesamten Bear-beitungszeit eingehalten. Die Gesamtbear-beitungszeit wird durch Vorschuberhöhung in Bearbeitungszonen mit weniger Materi-alabtrag verkürzt.

WerkzeugüberwachungDie adaptive Vorschubregelung der TNC überwacht permanent die beim aktuellen Vorschub nötige Spindelleistung. Wird ein Werkzeug stumpf, steigt die Spindellei-stung an. In Folge davon reduziert die TNC den Vorschub. Sobald ein eingestellter Min-destvorschub unterschritten wird, reagiert die TNC durch Abschalten, Fehlermeldung oder Einwechseln eines Schwesterwerk-zeugs. Dadurch lassen sich Folgeschäden nach Fräserbruch oder Fräserverschleiß ver-hindern.

Schonen der MaschinenmechanikDurch Reduzieren des Vorschubs bei Über-schreitung der gelernten maximalen Spin-delleistung bis zur Referenz-Spindelleistung wird die Maschinenmechanik geschont. Die Hauptspindel wird wirksam gegen Überlastung geschützt.

FunktionsweiseDie Anwendung ist einfach: Vor der Bear-beitung können in einer Tabelle maximale und minimale Grenzwerte für die Spindel-leistung festgelegt werden. Dazu zeichnet die TNC in einem Lernschnitt die maximal auftretende Spindelleistung auf. Die adap-tive Vorschubregelung vergleicht dann permanent die Spindelleistung mit der Re-ferenzleistung und versucht die Referenz-leistung durch Anpassen des Vorschubs während der gesamten Bearbeitungszeit einzuhalten.

AFC passt die Vorschubgeschwindigkeit den unterschiedlichen Schrittbedingungen an.

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Wirbelfräsenbeliebige Konturnuten im Wirbelfräsverfahren herstellen

Werkzeuge und Maschinenstrukturen wer-den beim Fräsen in schwer zerspanbaren, da hochfesten oder gehärteten Werk-stoffen besonders stark gefordert. Speziell beim Schaftfräsen im Vollnutschnitt wirken sehr hohe Kräfte, da Werkzeug und Werk-stück einen Umschlingungswinkel von 180° bilden. Verbiegungen des Werkzeugs und damit verbundene geometrische Feh-ler der Nut können die Folge sein. Um die geforderte Genauigkeit der Bauteile errei-chen zu können, wird die axiale Schnitttiefe häufi g auf den halben Werkzeugdurchmes-ser begrenzt. Tiefe Nuten müssen folglich zeitintensiv in mehreren Schnitten vorge-schruppt werden.

Vorteile des WirbelfräsensBeliebige Nuten werkzeug- und maschi-nenschonend komplett zu bearbeiten, ist der Vorteil des Wirbelfräsverfahrens. Dabei erfolgt der Schruppvorgang mit kreisför-migen Bewegungen, die zusätzlich mit ei-ner linearen Vorwärtsbewegung überlagert sind.

Beim Wirbelfräsen kann mit großer Schnitt-tiefe bearbeitet werden, da durch die spezi-ellen Schnittbedingungen keine verschleiß-steigernden Einfl üsse auf das Werkzeug ausgeübt werden. Auf diese Weise lässt sich meist die gesamte Schneidenlänge nutzen, so dass ein höheres Spanvolumen pro Zahn erzielt wird. Durch das kreisför-mige Eintauchen ins Material wirken ge-ringe radiale Kräfte auf das Werkzeug. Dies schont die Maschinenmechanik und verhin-dert das Auftreten von Schwingungen. Kombiniert man diese Fräsmethode noch mit der integrierten adaptiven Vorschubre-gelung AFC (Option), lässt sich eine en-orme Zeiteinsparung erzielen.

Wirbelfräsen als StandardfunktionDie herzustellende Nut wird in einem Kon-tur-Unterprogramm als Konturzug beschrie-ben. In einem separaten Zyklus defi nieren Sie die Abmaße der Nut sowie die Schnitt-daten. Das ggf. stehengebliebene Restma-terial lässt sich mit einem anschließenden Schlichtschnitt einfach beseitigen.

Die Vorteile im Überblick:gesamte Schneidenlänge im Eingriff•höheres Zeitspanvolumen (in Kombina-•tion mit AFC)Maschinenmechanik wird geschont•weniger Schwingungen•integriertes Schlichten der Seitenwand•

Wirbelfräsen: beliebige Nuten hocheffi zient bearbeiten

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1081192-10 · 10 · 9/2013 · F&W · Printed in Germany

Weitere Informationen:Katalog • TNC 640 Katalog • iTNC 530Katalog • TNC 620Technische Information • Dynamic Precision

HEIDENHAIN-Steuerungen

Steuerungen für Fräs-, Fräs-Dreh- und Bohrmaschinen sowie Bearbeitungszen-trenDie TNC-Steuerungen von HEIDENHAINbilden eine durchgängige Linie: Von der ein-fachen, kompakten 3-Achs- Streckensteue-rung TNC 128 bis hin zur Bahnsteuerung iTNC 530 (bis 18 Achsen plus Spindel) lässt sich nahezu jeder Anwendungsfall abde-cken. Mit der TNC 640 steht auch eine Steuerung für die Fräs-Dreh-Bearbeitung zur Verfügung.

Die HEIDENHAIN-TNCs sind vielseitig:werkstattgerecht in der Bedienung, aber auch extern programmierbar und somit für die automatisierte Fertigung geeignet. Ein-fache Fräsbearbeitungen bewältigen sie ebenso zuverlässig wie z. B. TNC 640 und iTNC 530 das Hochgeschwindigkeitsfräsen – mit besonders ruckgeglätteter Bewe-gungsführung – oder die 5-Achs-Bearbei-tung mit Schwenkkopf und Rundtisch.

Innovative Steuerungsfunktionen zur hoch-genauen und effi zienten Bearbeitung fasst HEIDENHAIN unter den Oberbegriffen Dynamic Effi ciency und Dynamic Precision zusammen.

Dynamic Effi ciency unterstützt den Anwender, die Schwerzerspanung und die Schruppbearbeitung effi zienter, aber auch prozesssicherer zu gestalten. Dynamic Effi ciency ist auf den Steue-rungen TNC 640 und iTNC 530 verfügbar.

Dynamic Precision ermöglicht genauere Werkstücke mit sauberen Oberfl ächen bei schneller Bearbeitung, also hohe Präzision bei hoher Produktivität. Die Software-Opti-onen von Dynamic Precision können Sie mit TNC 640, iTNC 530 und TNC 620 nutzen.

TNC 640 iTNC 530 TNC 620

TNC 640 iTNC530 TNC 620

Dynamic Precision x x x

CTC – Kompensation von Positionsab-weichungen durch Nachgiebigkeiten

Option Option Option

AVD – Aktive Schwingungsdämpfung Option Option Option

PAC – Positionsabhängige Anpassung von Regelparametern

Option Option Option

LAC – Lastabhängige Anpassung von Regelparametern

Option Option Option

MAC – Bewegungsabhängige Anpas-sung von Regelparametern

Option Option Option

Dynamic Effi ciency x x –

ACC – Aktive Ratterunterdrückung Option Option Option

AFC – Adaptive Vorschubregelung Option Option –

Wirbelfräsen • • •

x Funktionen möglich•Standardfunktion